炭化ケイ素（SiC）や窒化ガリウム（GaN）に代表されるワイドバンドギャップ（WBG）半導体が広く注目されています。人々は、急速充電における窒化ガリウムの応用見通しと同様に、電気自動車や電力網における炭化ケイ素の応用見通しに大きな期待を抱いています。近年、Ga2O3、AlN、ダイヤモンド材料の研究が大きく進み、超ワイドバンドギャップ半導体材料が注目を集めています。その中でも、酸化ガリウム (Ga2O3) は、バンドギャップ 4.8 eV、理論上の臨界破壊電界強度約 8 MV cm-1、飽和速度約 2E7cm s-1 を備えた新興の超ワイドバンドギャップ半導体材料です。 3000 という高い Baliga 品質係数を備えており、高電圧および高周波パワー エレクトロニクスの分野で広く注目を集めています。
1. 酸化ガリウムの材料特性
Ga2O3 は大きなバンドギャップ (4.8 eV) を持ち、高耐圧と高電力能力の両方を達成することが期待されており、比較的低い抵抗で高電圧適応性が期待できるため、現在の研究の焦点となっています。さらに、Ga2O3 は優れた材料特性を備えているだけでなく、容易に調整できるさまざまな n 型ドーピング技術、および低コストの基板成長およびエピタキシー技術も提供します。これまでに、Ga2O3 ではコランダム (α)、単斜晶 (β)、欠陥スピネル (γ)、立方晶 (δ)、斜方晶 (ɛ) 相の 5 つの異なる結晶相が発見されています。熱力学的安定性は、順に γ、δ、α、ɛ、β です。単斜晶系 β-Ga2O3 は、特に高温で最も安定ですが、他の相は室温以上では準安定であり、特定の熱条件下では β 相に変態する傾向があることは注目に値します。したがって、β-Ga2O3 ベースのデバイスの開発は、近年パワーエレクトロニクスの分野で大きな焦点となっています。
表 1 いくつかの半導体材料パラメータの比較
単斜晶系β-Ga2O3 の結晶構造を表 1 に示します。その格子パラメータには、a = 12.21 Å、b = 3.04 Å、c = 5.8 Å、および β = 103.8°が含まれます。単位格子は、ねじれた四面体配位を持つ Ga(I) 原子と八面体配位を持つ Ga(II) 原子で構成されます。 「ねじれ立方晶」配列には 3 つの異なる酸素原子の配置があり、三角形に配位した 2 つの O(I) および O(II) 原子と、四面体に配位した 1 つの O(III) 原子が含まれます。これら 2 種類の原子配位の組み合わせにより、物理学、化学腐食、光学およびエレクトロニクスにおける特別な特性を持つ β-Ga2O3 の異方性が生じます。
図1 単斜晶系β-Ga2O3結晶の構造模式図
エネルギーバンド理論の観点から、β-Ga2O3 の伝導帯の最小値は、Ga 原子の 4s0 混成軌道に対応するエネルギー状態から導出されます。伝導帯の最小値と真空のエネルギー準位とのエネルギー差（電子親和力エネルギー）を測定します。は4eVです。 β-Ga2O3 の有効電子質量は 0.28 ～ 0.33 me と測定され、良好な電子伝導性を示します。しかし、価電子帯の最大値は非常に低い曲率と強く局在化された O2p 軌道を備えた浅い Ek 曲線を示し、正孔が深く局在化していることを示唆しています。これらの特性は、β-Ga2O3 に p 型ドーピングを達成する上で大きな課題となります。たとえＰ型ドーピングが達成できたとしても、ホールμは非常に低いレベルに留まる。 2. バルク酸化ガリウム単結晶の成長 これまで、β-Ga2O3 バルク単結晶基板の成長方法は、チョクラルスキー (CZ) などの結晶引き上げ法、エッジ定義薄膜送り法 (Edge -Defined film-fed) が主でした。 、EFG）、ブリッジマン（垂直または水平ブリッジマン、HB または VB）、およびフローティング ゾーン（フローティング ゾーン、FZ）テクノロジー。すべての方法の中でも、チョクラルスキー法とエッジデファインド薄膜供給法は、大量生産と低い欠陥密度を同時に達成できるため、将来のβ-Ga 2O3 ウェーハの量産に最も有望な手段になると期待されています。これまでに、日本の新結晶技術は、融解成長β-Ga2O3用の商用マトリックスを実現してきました。
1.1 チョクラルスキー法
チョクラルスキー法の原理は、まずシード層を覆い、次に単結晶を融液からゆっくりと引き抜くことです。チョクラルスキー法は、その費用対効果の高さ、大型サイズの可能性、および高品質の結晶基板の成長により、β-Ga2O3 にとってますます重要になっています。しかし、Ga2O3 の高温成長時の熱応力により、単結晶や融液の蒸発、Ir 坩堝の損傷が発生します。これは、Ga2O3 で低 n 型ドーピングを達成することが難しいことの結果です。この問題を解決する 1 つの方法は、成長雰囲気に適切な量の酸素を導入することです。最適化により、自由電子濃度範囲10^16~10^19cm-3、最大電子密度160cm2/Vsの高品質2インチβ-Ga2O3をチョクラルスキー法により成長させることに成功した。
図2 チョクラルスキー法で育成したβ-Ga2O3単結晶
1.2 エッジ定義フィルム送り方式
エッジ定義薄膜供給法は、大面積の Ga2O3 単結晶材料の商業生産の有力な候補であると考えられています。この方法の原理は、毛細管スリットのある金型に溶融物を入れ、毛細管現象により溶融物が金型まで上昇するというものです。上部では薄膜が形成され、種結晶によって結晶化が誘導されながら四方八方に広がります。さらに、型上部のエッジを制御して、フレーク、チューブ、または任意の形状の結晶を生成することができます。 Ga2O3 のエッジ定義薄膜供給方法により、速い成長速度と大きな直径が得られます。図 3 に β-Ga2O3 単結晶の図を示します。また、サイズスケールとしては、透明性と均一性に優れた2インチと4インチのβ-Ga2O3基板を製品化しており、6インチ基板については将来の製品化に向けた研究で実証を行っている。最近では、(-201) 配向の大きな円形の単結晶バルク材料も入手できるようになりました。さらに、β-Ga2O3 エッジ定義膜供給法により遷移金属元素のドーピングも促進され、Ga2O3 の研究と調製が可能になります。
図3 エッジデファインドフィルム送り法により育成したβ-Ga2O3単結晶
1.3 ブリッジマン法
ブリッジマン法では、温度勾配を徐々に移動させるるつぼ内で結晶が形成されます。このプロセスは、通常は回転るつぼを使用して、水平方向または垂直方向で実行できます。この方法ではクリスタルシードを使用する場合と使用しない場合があることに注意してください。従来のブリッジマンのオペレーターは、融解および結晶成長のプロセスを直接視覚化することができず、高精度で温度を制御する必要がありました。垂直ブリッジマン法は主に β-Ga2O3 の成長に使用され、大気環境でも成長できることで知られています。垂直ブリッジマン法の成長プロセス中、融液とるつぼの総質量損失は 1% 未満に抑えられ、最小限の損失で大型の β-Ga2O3 単結晶を成長させることができます。
図4 ブリッジマン法により育成したβ-Ga2O3単結晶
1.4 フローティングゾーン方式
フローティングゾーン法は、るつぼの材料による結晶汚染の問題を解決し、高温耐性の赤外線るつぼに関連する高コストを削減します。この成長プロセス中、溶融物は RF 源ではなくランプで加熱できるため、成長装置の要件が簡素化されます。フローティングゾーン法で成長させたβ-Ga2O3の形状と結晶品質はまだ最適ではありませんが、この方法は高純度のβ-Ga2O3を予算に優しい単結晶に成長させるための有望な方法を切り開きます。
図5 フローティングゾーン法で育成したβ-Ga2O3単結晶。
投稿日時: 2024 年 5 月 30 日